利用Pandas和NumPy高效组合多条件真值-Python教程-PHP中文网

利用Pandas和NumPy高效组合多条件真值

心靈之曲

发布： 2025-12-13 18:54:17

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利用pandas和numpy高效组合多条件真值

本文旨在解决使用`np.select`时，当一行数据满足多个条件时仅返回第一个匹配值的问题，并提供一种利用`np.dot`结合布尔矩阵乘法来聚合所有符合条件的“选择项”的方法。通过构建一个中间布尔DataFrame，并巧妙运用点积操作进行字符串拼接，最终实现将所有真值以指定分隔符连接成一个字符串，从而克服`np.select`的局限性，实现更灵活的多条件聚合。

1. np.select 的局限性与多条件聚合需求

在使用Pandas处理数据时，我们经常需要根据一系列条件为DataFrame中的行分配不同的“类别”或“标签”。NumPy的np.select函数是实现这一目标的强大工具，它允许我们定义一组条件和对应的选择项，并返回第一个满足条件的选项。然而，np.select的一个固有特性是它只返回第一个匹配的条件所对应的选择项。这意味着如果一行数据同时满足多个条件，np.select只会选择优先级最高的（即在条件列表中排在最前面的）那个。

考虑以下场景：我们有一个DataFrame，其中包含多个布尔列和数值列。我们希望根据这些列组合出一些条件，并为每行返回所有满足条件的“选择项”，并将它们连接成一个字符串。

示例数据与初始尝试：

import pandas as pd
import numpy as np

df = pd.DataFrame({'cond1':[True, True, False, True],
                   'cond2':[False, False, True, True],
                   'cond3':[True, False, False, True],
                   'value': [1, 3, 3, 6]})

# 定义条件列表
conditions = [df['cond1'] & (df['value']>4),
              df['cond2'],
              df['cond2'] & (df['value']>2),
              df['cond3'] & df['cond2']]

# 定义选择项列表
choices = ['1', '2', '3', '4']

# 使用 np.select
df["class_np_select"] = np.select(conditions, choices, default=np.nan)

print("使用 np.select 的结果：")
print(df)

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输出结果：

使用 np.select 的结果：
   cond1  cond2  cond3  value class_np_select
0   True  False   True      1             nan
1   True  False  False      3             nan
2  False   True  False      3               2
3   True   True   True      6               1

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从上述输出可以看出，对于索引为2的行，df['cond2']为True（对应选择项'2'），df['cond2'] & (df['value']>2)也为True（对应选择项'3'）。但np.select只返回了'2'。对于索引为3的行，所有条件都可能为True，但np.select仅返回了'1'。

期望结果：

我们期望的结果是，如果一行满足多个条件，则将所有对应的选择项连接起来，例如："2 and 3" 或 "1 and 2 and 3 and 4"。

   cond1    cond2   cond3   value   class
0   True    False   True    1       nan
1   True    False   False   3       nan
2   False   True    False   3       2 and 3
3   True    True    True    6       1 and 2 and 3 and 4

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2. 利用 np.dot 实现多条件聚合

为了实现将所有满足条件的“选择项”聚合在一起，我们可以采用一种巧妙的方法，即结合Pandas和NumPy的矩阵操作。核心思想是创建一个布尔矩阵，其中行代表原始DataFrame的索引，列代表我们的选择项，矩阵中的值为True表示该行满足对应选择项的条件。然后，我们利用NumPy的dot函数（点积）进行字符串拼接。

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2.1 核心思路与步骤

构建布尔矩阵： 将每个条件评估为布尔Series，然后将这些Series组合成一个新的DataFrame。这个DataFrame的行索引与原始DataFrame相同，列名为我们的choices。
利用 np.dot 进行字符串拼接： 将布尔矩阵与一个由choices字符串加上分隔符组成的Series进行点积运算。由于布尔值在数值运算中会被视为0（False）或1（True），点积操作将有效地为每个为True的条件“乘以”其对应的选择项字符串。
清理结果： 点积结果可能会在末尾留下多余的分隔符，需要进行清理。

2.2 详细实现

import pandas as pd
import numpy as np

# 原始数据
df = pd.DataFrame({'cond1':[True, True, False, True],
                   'cond2':[False, False, True, True],
                   'cond3':[True, False, False, True],
                   'value': [1, 3, 3, 6]})

# 定义条件列表
conditions = [df['cond1'] & (df['value']>4),
              df['cond2'],
              df['cond2'] & (df['value']>2),
              df['cond3'] & df['cond2']]

# 定义选择项列表
choices = ['1', '2', '3', '4']

# 步骤1：构建布尔矩阵 df_conditions
# pd.DataFrame(conditions, ...).T 将条件列表转换为一个DataFrame
# 它的行是原始df的索引，列是choices
df_conditions = pd.DataFrame(conditions, columns=df.index, index=choices).T

print("\n中间布尔矩阵 (df_conditions):")
print(df_conditions)

# 步骤2：利用 np.dot 进行字符串拼接
# df_conditions.columns + ' and ' 创建一个 Series，例如 ['1 and ', '2 and ', ...]
# df_conditions.dot(...) 执行矩阵乘法，将True的列名及其分隔符连接起来
df['class_combined'] = df_conditions.dot(df_conditions.columns + ' and ')

print("\n初步拼接结果 (包含尾部分隔符):")
print(df['class_combined'])

# 步骤3：清理结果，去除尾部的 ' and '
df['class_combined'] = df['class_combined'].str.strip(' and ')

print("\n最终聚合结果 (class_combined):")
print(df)

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输出结果解析：

中间布尔矩阵 (df_conditions):

中间布尔矩阵 (df_conditions):
       1      2      3      4
0  False  False  False  False
1  False  False  False  False
2  False   True   True  False
3   True   True   True   True

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这个DataFrame清晰地显示了每一行（索引）满足哪些条件（列）。例如，索引为2的行满足条件'2'和'3'。

初步拼接结果：

初步拼接结果 (包含尾部分隔符):
0                        
1                        
2             2 and 3 and 
3    1 and 2 and 3 and 4 and 
Name: class_combined, dtype: object

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可以看到，np.dot操作成功地将True对应的选择项及其分隔符连接起来，但末尾留下了多余的' and '。

最终聚合结果：

最终聚合结果 (class_combined):
   cond1  cond2  cond3  value     class_np_select           class_combined
0   True  False   True      1                 nan                         
1   True  False  False      3                 nan                         
2  False   True  False      3                   2                  2 and 3
3   True   True   True      6                   1  1 and 2 and 3 and 4

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通过.str.strip(' and ')，我们成功移除了尾部的多余分隔符，得到了期望的多条件聚合结果。

3. 注意事项与总结

分隔符选择： 在df_conditions.columns + ' and '中，您可以根据需要更改分隔符，例如'|'或', '。
空值处理： 如果某行不满足任何条件，df_conditions.dot(...)的结果将是空字符串。如果需要将其表示为np.nan，可以进行后续处理，例如：df['class_combined'] = df['class_combined'].replace('', np.nan)。
性能： 对于大型数据集，这种基于NumPy的矢量化操作通常比使用循环或apply方法具有更好的性能。
可读性： 尽管这种方法看起来有些巧妙，但一旦理解了布尔矩阵和点积的原理，它提供了一种非常简洁且高效的解决方案，用于解决np.select在多条件聚合方面的局限性。

通过以上方法，我们成功地克服了np.select的限制，实现了在Pandas DataFrame中对多重满足条件的选择项进行灵活聚合和字符串拼接的需求。这种技术在数据分类、标签生成和复杂业务规则处理中具有广泛的应用价值。

以上就是利用Pandas和NumPy高效组合多条件真值的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！